Открытие "черного ящика" дендритных вычислений

Нейробиологи из LMU под руководством Андреаса Херца представили новый метод для анализа сложных нейронных процессов, который значительно мощнее существовавших ранее подходов.

Смена перспективы

Математическая операция, выполняемая нервной клеткой, сильно зависит от геометрии и биофизических свойств ее дендритного дерева. Дендриты — это короткие отростки, отходящие от тела нейрона, на которых расположены синапсы, принимающие сигналы от других клеток. Синаптические входы сначала интегрируются внутри каждого отдельного дендрита, а затем комбинируются с результатами других локальных вычислений, что в совокупности определяет ответ нейрона.

До сих пор анализ такого рода проводился путем наблюдения за тем, как меняется выходной сигнал клетки при варьировании входов. Однако из-за сложности обработки информации в дендритных деревьях крайне трудно определить, какой именно из множества этапов отвечает за наблюдаемое изменение.

Новый метод: изо-ответ

Исследователи разработали новый подход. Вместо анализа того, как меняется реакция клетки при изменении стимулов, стратегия задается вопросом: что нужно, чтобы сохранить клеточный ответ постоянным? Это позволяет понять, как различные входы взаимодействуют друг с другом.

Например, если эффект линейного увеличения интенсивности одного входного стимула можно скомпенсировать соответствующим уменьшением амплитуды входа на другом дендрите (так, чтобы ответ клетки остался неизменным), можно сделать вывод, что два сигнала эффективно складываются в дендритном дереве. Если же для достижения того же эффекта изменения должны быть сбалансированы, то делается вывод, что дендритное дерево выполнило умножение двух сигналов. Таким образом, новый метод изо-ответа позволяет вычленить отдельные этапы вычислений, несмотря на огромную сложность дендритного дерева в целом.

Результаты моделирования

Метод был применен в компьютерных симуляциях пирамидальных клеток — наиболее распространенного типа клеток в коре головного мозга. Результаты показали, что определенные типы дендритных процессов работают исключительно в прямом (feed-forward) режиме: они просто передают входящий сигнал в одном направлении без какой-либо обратной связи. Это характерно для дендритов, расположенных близко к телу клетки.

Пучки дендритов, находящиеся дальше от тела клетки, демонстрируют более сложное поведение, что указывает на наличие эффектов обратной связи.

Перспективы

Полученные результаты свидетельствуют, что разные типы дендритов выполняют разные вычисления в зависимости от их расположения на клетке. Следующим шагом станет сочетание нового аналитического подхода с экспериментами, чтобы раскрыть дендритные вычисления, выполняемые реальными биологическими нейронами. Это позволит систематически улучшить понимание динамики обработки информации в мозге.